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水生生物毒性测试用于沉积物评价的研究进展

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张水航, 徐丽, 姚玲爱, 赵学敏, 虢清伟, 裴德富, 马千里. 水生生物毒性测试用于沉积物评价的研究进展[J]. 环境化学, 2024, 43(1): 138-151. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022081303
引用本文: 张水航, 徐丽, 姚玲爱, 赵学敏, 虢清伟, 裴德富, 马千里. 水生生物毒性测试用于沉积物评价的研究进展[J]. 环境化学, 2024, 43(1): 138-151. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022081303
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ZHANG Shuihang, XU Li, YAO Lingai, ZHAO Xuemin, GUO Qingwei, PEI Defu, MA Qianli. Advances in aquatic biotoxicity testing for sediment evaluation[J]. Environmental Chemistry, 2024, 43(1): 138-151. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022081303
Citation: ZHANG Shuihang, XU Li, YAO Lingai, ZHAO Xuemin, GUO Qingwei, PEI Defu, MA Qianli. Advances in aquatic biotoxicity testing for sediment evaluation[J]. Environmental Chemistry, 2024, 43(1): 138-151. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022081303
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水生生物毒性测试用于沉积物评价的研究进展

  • 1.

    沈阳建筑大学市政与环境工程学院，沈阳，100168

  • 2.

    生态环境部华南环境科学研究所，生态环境部生态环境应急研究所，广州，510530

    • 通讯作者: E-mail：xuli7404@163.com;  E-mail：maqianli@scies.org
  • 基金项目:
    国家自然科学基金（41977353）资助.

Advances in aquatic biotoxicity testing for sediment evaluation

  • 1.

    School of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang, 100168, China

  • 2.

    South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Ecology and Environment, Guangzhou, 510530, China

    • Corresponding authors: XU Li, xuli7404@163.com ;  MA Qianli, maqianli@scies.org
  • Fund Project: the National Natural Science Foundation of China （41977353）.

  • 摘要: 针对沉积物污染问题的研究目前已建立了不同的评价方法与体系，目前常用的结合生物毒性测试的有效应导向分析(EDA)、沉积物毒性鉴别评价(TIE)、证据权重法（WOE）、物种敏感性分布法（SSD）和沉积物质量基准（SQG）等，这些方法在河流、湖泊等水体沉积物中污染物毒性效应表征及沉积物质量评价方面有重要应用. 本文指出水生生物毒性测试应用的重要性，根据不同学者的研究内容归纳了水生生物毒性测试的方法学，对沉积物进行水生生物毒性测试的基质处理包括直接采用污染沉积物、洁净沉积物加标以及人工配置沉积物，受试生物主要包括浮游植物、浮游动物、底栖动物和鱼类，毒性试验终点包括急性毒性终点和慢性毒性终点；最后指出水生生物测试存在的问题，并对沉积物质量评价未来发展方向进行展望，以期为我国沉积物生物毒性测试标准方法的建立提供参考.
    Abstract: Various evaluation methods have been developed for the risk assessment of sediment contamination, involving effect-directed analysis (EDA) for biological toxicity testing, sediment toxicity identification evaluation (TIE), weight-of-evidence (WOE), species sensitivity distribution (SSD), sediment quality benchmark (SQG), etc. These methods have been widely applied in toxic effects characterization of contaminants in river and lake sediments as well as in sediment quality evaluation. Aquatic biotoxicity test plays an important role in the above mentioned evaluation methods. In this review, methodology of aquatic biotoxicity testing in different studies were summarized, including treatment of testing substrates, selection of test organisms, and the test endpoints. 3 types of testing substrates were introduced, which were directly use of contaminated sediment, clean sediment spiking, and artificial sediment. 4 groups of widely used tested organisms, phytoplankton, zooplankton, benthic animals and fish, were elaborated. And 2 kinds of test endpoints, acute toxicity endpoints and chronic toxicity endpoints were summarized. Moreover, some problems of aquatic biotoxicity testing, and future development of sediment quality evaluation were discussed, hope to provide some reference in the standard methods establishment for sediment biotoxicity testing in China.
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  • 图 1  EDA（a）和TIE（b）主要操作流程图

    Figure 1.  operation flowchart of EDA（a）and TIE（b）

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    图 2  WOE（a）和SSD（b）的主要操作流程

    Figure 2.  Operation floechart of WOE(a) and SSD(b)

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    图 3  SQG建立的主要方法

    Figure 3.  Main methods of SQG establishment

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    图 4  沉积物毒性水生生物测试方法体系

    Figure 4.  Aquatic testing methodology of sediment toxicity

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    表 1  沉积物水生生物毒性测试常见受试生物及其测试终点

    Table 1.  Commonly used tested organisms in sediment toxicity tests and the test endpoints

    受试生物类型
    Subject
    organism type    		污染物类型
    Pollutant type    		沉积物基质
    Sediment substrate    		受试生物
    Subject organism    		测试时长
    Test Duration    		测试终点
    Test endpoints    		参考文献
    References
    浮游植物Cu、农药干净沉积物加标羊角月牙藻72 h生长抑制[55]
    Cu干净沉积物加标小球藻72 h生长量[60]
    综合毒性受污染沉积物光合藻类96 h生长抑制[83]
    综合毒性受污染沉积物小球藻、斜生栅藻96 h生长抑制[84]
    综合毒性受污染沉积物小球藻96 h生长抑制[85]
    浮游动物Cd干净沉积物加标蚤状溞7 d、72 h死亡率[86]
    Cu干净沉积物加标大型溞48 h死亡率[16]
    重金属受污染沉积物大型溞96 h生长抑制[85]
    综合毒性受污染沉积物卤虫96 h中毒症状反应、死亡率[67]
    综合毒性受污染沉积物卤虫、猛水溞、大型溞96 h死亡率[87]
    Cd干净沉积物加标大型溞72 h生物累积、金属硫蛋白含量、死亡率[13]
    综合毒性受污染沉积物卤虫7 d卤虫体长、酶活性[88]
    底栖动物综合毒性受污染沉积物桡足类动物7 d繁殖力[77]
    无机硒干净沉积物加标霍甫水丝蚓14 d、60 d生理指标[89]
    氯代阻燃剂干净沉积物加标中华圆田螺32 d生物积累、氧化应激效应[90]
    重金属受污染沉积物双壳类动物28 d总抗氧化能力（TAOC）、脂质过氧化（MDA）、溶酶体膜稳定性测定[91]
    重金属受污染沉积物摇蚊幼虫14 d、10 d死亡率、羽化率[92]
    多环芳烃、
    重金属    		受污染沉积物太平洋牡蛎24 h至幼虫孵化生物积累、金属硫蛋白含量[93]
    氨干净沉积物加标淡水贻贝96 h、10 d生长量[94]
    Cd干净沉积物加标铜锈环棱螺21 d生物累积、抗氧化酶活性[95]
    五氯酚干净沉积物加标淡水单孔蚓96 h、10 d、14 d、
    21 d、28 d    		存活数、个体体重、体表损伤情况[96]
    重金属受污染沉积物河蚬60 d软体肌肉组织重金属含量[97]
    鱼类Zn、Cd干净沉积物加标泥鳅21 d死亡率、体重变化、渗血率[45]
    四氧化三铁
    纳米颗粒    		干净沉积物加标斑马鱼胚胎96 hpf胚胎发育、氧化应激水平[58]
    综合毒性污染沉积物斑马鱼胚胎5 d死亡率、基因表达[82]
    汞受污染沉积物青鳉鱼胚胎和仔鱼24 h、48 h、
    96 h 、21 d    		仔鱼畸形率和死亡率、
    胚胎孵化率和孵化时间、
    胚胎畸形率和胚胎死亡率    		[98]
    农药干净沉积物加标太阳鱼、斑马鱼、
    食蚊鱼、麦穗鱼    		96 h死亡率[99]
    综合毒性受污染沉积物斑马鱼胚胎96 h致畸性、遗传毒性等[100]
    受试生物类型
    Subject
    organism type    		污染物类型
    Pollutant type    		沉积物基质
    Sediment substrate    		受试生物
    Subject organism    		测试时长
    Test Duration    		测试终点
    Test endpoints    		参考文献
    References
    浮游植物Cu、农药干净沉积物加标羊角月牙藻72 h生长抑制[55]
    Cu干净沉积物加标小球藻72 h生长量[60]
    综合毒性受污染沉积物光合藻类96 h生长抑制[83]
    综合毒性受污染沉积物小球藻、斜生栅藻96 h生长抑制[84]
    综合毒性受污染沉积物小球藻96 h生长抑制[85]
    浮游动物Cd干净沉积物加标蚤状溞7 d、72 h死亡率[86]
    Cu干净沉积物加标大型溞48 h死亡率[16]
    重金属受污染沉积物大型溞96 h生长抑制[85]
    综合毒性受污染沉积物卤虫96 h中毒症状反应、死亡率[67]
    综合毒性受污染沉积物卤虫、猛水溞、大型溞96 h死亡率[87]
    Cd干净沉积物加标大型溞72 h生物累积、金属硫蛋白含量、死亡率[13]
    综合毒性受污染沉积物卤虫7 d卤虫体长、酶活性[88]
    底栖动物综合毒性受污染沉积物桡足类动物7 d繁殖力[77]
    无机硒干净沉积物加标霍甫水丝蚓14 d、60 d生理指标[89]
    氯代阻燃剂干净沉积物加标中华圆田螺32 d生物积累、氧化应激效应[90]
    重金属受污染沉积物双壳类动物28 d总抗氧化能力（TAOC）、脂质过氧化（MDA）、溶酶体膜稳定性测定[91]
    重金属受污染沉积物摇蚊幼虫14 d、10 d死亡率、羽化率[92]
    多环芳烃、
    重金属    		受污染沉积物太平洋牡蛎24 h至幼虫孵化生物积累、金属硫蛋白含量[93]
    氨干净沉积物加标淡水贻贝96 h、10 d生长量[94]
    Cd干净沉积物加标铜锈环棱螺21 d生物累积、抗氧化酶活性[95]
    五氯酚干净沉积物加标淡水单孔蚓96 h、10 d、14 d、
    21 d、28 d    		存活数、个体体重、体表损伤情况[96]
    重金属受污染沉积物河蚬60 d软体肌肉组织重金属含量[97]
    鱼类Zn、Cd干净沉积物加标泥鳅21 d死亡率、体重变化、渗血率[45]
    四氧化三铁
    纳米颗粒    		干净沉积物加标斑马鱼胚胎96 hpf胚胎发育、氧化应激水平[58]
    综合毒性污染沉积物斑马鱼胚胎5 d死亡率、基因表达[82]
    汞受污染沉积物青鳉鱼胚胎和仔鱼24 h、48 h、
    96 h 、21 d    		仔鱼畸形率和死亡率、
    胚胎孵化率和孵化时间、
    胚胎畸形率和胚胎死亡率    		[98]
    农药干净沉积物加标太阳鱼、斑马鱼、
    食蚊鱼、麦穗鱼    		96 h死亡率[99]
    综合毒性受污染沉积物斑马鱼胚胎96 h致畸性、遗传毒性等[100]
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-08-13
  • 录用日期:  2023-03-29
  • 刊出日期:  2024-01-27
张水航, 徐丽, 姚玲爱, 赵学敏, 虢清伟, 裴德富, 马千里. 水生生物毒性测试用于沉积物评价的研究进展[J]. 环境化学, 2024, 43(1): 138-151. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022081303
引用本文: 张水航, 徐丽, 姚玲爱, 赵学敏, 虢清伟, 裴德富, 马千里. 水生生物毒性测试用于沉积物评价的研究进展[J]. 环境化学, 2024, 43(1): 138-151. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022081303
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ZHANG Shuihang, XU Li, YAO Lingai, ZHAO Xuemin, GUO Qingwei, PEI Defu, MA Qianli. Advances in aquatic biotoxicity testing for sediment evaluation[J]. Environmental Chemistry, 2024, 43(1): 138-151. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022081303
Citation: ZHANG Shuihang, XU Li, YAO Lingai, ZHAO Xuemin, GUO Qingwei, PEI Defu, MA Qianli. Advances in aquatic biotoxicity testing for sediment evaluation[J]. Environmental Chemistry, 2024, 43(1): 138-151. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022081303
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水生生物毒性测试用于沉积物评价的研究进展

    通讯作者: E-mail：xuli7404@163.com;  E-mail：maqianli@scies.org
  • 1. 沈阳建筑大学市政与环境工程学院，沈阳，100168
  • 2. 生态环境部华南环境科学研究所，生态环境部生态环境应急研究所，广州，510530
  • 收稿日期:  2022-08-13
  • 录用日期:  2023-03-29
  • 网络出版日期:  2024-01-19
基金项目:
国家自然科学基金（41977353）资助.

摘要: 针对沉积物污染问题的研究目前已建立了不同的评价方法与体系，目前常用的结合生物毒性测试的有效应导向分析(EDA)、沉积物毒性鉴别评价(TIE)、证据权重法（WOE）、物种敏感性分布法（SSD）和沉积物质量基准（SQG）等，这些方法在河流、湖泊等水体沉积物中污染物毒性效应表征及沉积物质量评价方面有重要应用. 本文指出水生生物毒性测试应用的重要性，根据不同学者的研究内容归纳了水生生物毒性测试的方法学，对沉积物进行水生生物毒性测试的基质处理包括直接采用污染沉积物、洁净沉积物加标以及人工配置沉积物，受试生物主要包括浮游植物、浮游动物、底栖动物和鱼类，毒性试验终点包括急性毒性终点和慢性毒性终点；最后指出水生生物测试存在的问题，并对沉积物质量评价未来发展方向进行展望，以期为我国沉积物生物毒性测试标准方法的建立提供参考.

English Abstract

    全文HTML

  • 随着社会经济的快速发展，人类对矿产资源及各类人工合成化学品的消费数量大量增加. 而高强度的人类活动常常导致各类污染物输入水体，包括现有污水处理工艺未能去除的污染物[1-2]，突发水污染事件中单次大量输入的污染物[3-5]，生产活动中的非目标污染物[6-7]等，各类污染物的大量输入使得水生态环境面临前所未有的压力. 输入水体的污染物可被水体悬浮物吸附逐渐沉降于河床或通过絮凝沉降等突发环境事件应急处置措施短时间内沉降于河床[8-10]，汇入沉积物环境. 部分污染物通过沉积物的生物或化学过程降解，但仍有大量的难以降解的金属污染物、有机污染物长期累积在河床沉积物中. 而当水体外在环境条件（如pH、水温、流量等）发生改变时，沉积物中的污染物可能重新释放进入水体[11-12]，此时，沉积物成为水体的二次污染源. 沉积物在源与汇的转化之间可能对生物群落乃至整个水生态系统造成危害[13-15].

    针对污染物进入沉积物带来的环境风险和生态风险，化学分析是了解沉积物污染程度和生物毒性最基础的工作，其结果直接提供了沉积物中各类元素成分和污染物的含量[16]，而生物毒性测试则被认为是判断沉积物中的污染物对生物影响的更为直接且可靠的方法[17-18]，因此生物毒性测试在沉积物污染的生态风险评价中逐渐运用. 本文梳理了水生生物毒性测试在沉积物污染评价中的应用，指出了水生生物测试应用于沉积物毒性研究的重要性，并针对目前不同学者的研究，从沉积物基质、受试生物、毒性测试终点3个方面对水生生物测试技术应用的方法学进行了总结归纳，并为今后的发展方向进行了展望，以期为沉积物生物毒性测试标准方法的建立提供参考.

    • 1.   水生生物毒性测试在沉积物污染研究中的应用（Application of aquatic life toxicity testing in sediment pollution studies）

    • 在20世纪60—70年代开始，有学者关注到沉积物污染及其对水生生物的毒性影响[19-21]，在进行城市河道疏浚底泥的化学分析时，发现其中含有大量且成分复杂的化学污染物，对其毒性感到担忧[22]，并且逐渐认识到仅开展沉积物成分与含量的化学分析难以说明沉积物中污染物对生物的具体影响. 因此基于生物毒性测试的技术方法逐渐成为评估沉积物中污染物毒性效应的有效手段[23]，并由此发展了多种关于沉积物质量评价的方法和相关研究.

      • 1.1.   水生生物毒性测试在沉积物毒性评价中的应用

    • 对于成分复杂的沉积物环境，单纯的化学分析或是生物测试对于评价沉积物的毒性都是不够的. 效应导向分析（effect-directed analysis，EDA）[24]和沉积物毒性鉴别评价（toxicity identification evaluation，TIE）[25]将沉积物环境的污染状况与生物效应相关联，又可筛查出污染沉积物中的致毒因子，是评价沉积物毒性的重要研究手段. 两种方法的具体操作流程如图1所示.

      EDA是一套仅针对有机污染物的分析测试方法，它综合运用了生物测试与化学分析，污染物经提取后运用一种或多种生物测试方法检测样品可能导致的生物效应，然后经过组分分析等步骤鉴定出主要的效应化合物，最后通过污染物与生物间的剂量-效应关系检验化学测定结果[26-28]. TIE起初是由美国环保局（U S EPA）于1984年提出的用于工业废水和生活污水中毒性物质鉴别与评价的一套完整方案，随后其应用到沉积物重污染物的毒性鉴别评价中. 其操作方法与EDA较为相似，不过所能鉴别的污染物种类较EDA更为丰富，包含了氨氮、重金属、有机物等. 首先通过生物测试检测毒性的有无或大小，最后结合化学分析测定致毒污染物的身份及含量情况[29]. 在沉积物毒性物质鉴别应用中逐渐发展了沉积物孔隙水TIE和全沉积物TIE，使鉴定结果更加准确，也使更多的水生生物类群用于TIE的毒性检测中. 两种方法中生物毒性的测试均是重要的操作步骤，沉积物TIE主要采用活体水生生物测试，不同营养级的模式生物在TIE的发展中逐渐被运用. 而EDA除了可以应用水生生物毒性效应测试外，应用更多的则是体外生物测试，例如特异性效应，如遗传毒性、致突变性、芳香烃受体效应、内分泌干扰效应等. 整体来说，水生生物毒性测试在沉积物毒性评价中是十分关键的内容.

      • 1.2.   水生生物毒性测试在沉积物风险评价中的应用

    • 随着对沉积物污染问题的研究，陆续形成不同的沉积物风险评价方法，如地累积指数法、富集系数法、潜在生态风险系数法、风险评价码、重金属-硫化物（AVS-SEM）差值法等，这些评价方法均基于沉积物中污染物的化学分析. 物种敏感性分布法（species sensitivity distributions，SSD）[30]和证据权重法（weight of evidence，WOE）[31]则是基于沉积物中污染物毒性研究的较为经典的沉积物风险评价方法，两种方法的具体操作流程如图2所示.

      SSD是表征特定污染物在沉积物中对生物的生态风险的方法，集合毒性实验数据信息，模拟不同物种对环境中污染物的敏感度，预测可保护大多数物种的环境浓度，从而保护生态系统的结构和功能[32]. WOE采取综合评价的策略对沉积物质量进行评价，整合了沉积物化学分析、毒性实验和底栖生物群落结构调查的证据线索，利用信息处理与解译方法得出科学全面的沉积物污染评价结论[33]. 美国、加拿大、荷兰和英国等国家已经把证据权重法应用到官方的受污染沉积物风险评价指南中[34-36]. 获取生物毒性数据是SSD评估的首要任务，进行水生生物毒性测试则是获取毒性数据的唯一渠道，U S EPA要求构建SSD曲线需满足3门8科水生生物的毒性数据，欧洲委员会则要求至少8科10种生物的毒性数据. 在对沉积物进行综合评价的WOE方法中，生物毒性测试的结果是一条重要的证据线索，对评价结果起到了重要支撑作用.

      • 1.3.   水生生物毒性测试在沉积物质量基准研究中的应用

    • 为科学有效地评价和治理沉积物污染逐渐发展起来了沉积物质量基准（sediment quality guideline，SQG），是指特定的化学物质在沉积物中不对底栖水生生物或其他有关水体功能产生危害的实际允许值[37-39]. 沉积物质量基准研究方法有10余种，钟文珏等[40]根据理论基础可分为两大类：一类是以生物效应数据为基础的生物效应数据库法；第二类是以相平衡分配原理为依据的相平衡分配法，如图3所示. 近年来我国已在太湖、鄱阳湖等大型湖泊及海河、辽河、长江等流域[41-46]开展沉积物环境基准值研究. 基于生物效应数据库法能够充分利用广泛多样的生物毒性效应数据而备受关注，然而在国内的发展却受到限制，主要由于我国开展的关于污染沉积物生物效应的研究仍较少，导致水生生物毒性效应数据不足. 因此利用水生生物毒性测试手段，获取沉积物中各类污染物的毒性数据可为我国全面建立沉积物质量基准奠定基础.

    2.   水生生物毒性测试方法学（Methodology of aquatic organism toxicity testing）

    • 水生生物是研究沉积物污染物毒性时的首选生物类型，因此如何对沉积物进行处理、如何筛选受试生物、如何确定毒性测试终点十分重要. 经济合作与发展组织（OECD）已发布使用带丝蚓（Lumbriculus）和摇蚊（Chironomid）为受试生物的沉积物生物毒性测试技术规范[47-49]，而我国尚未正式出台沉积物生物毒性的测试技术规范或标准方法，沉积物生物毒性测试技术标准化的建立有助于推动沉积物环境污染治理与修复的发展. 根据大部分学者的研究，文章从沉积物基质、受试生物选择和测试终点3部分内容对沉积物毒性的水生生物测试方法进行梳理概括，如图4所示.

      • 2.1.   沉积物基质

    • 沉积物生物毒性测试的基质主要包括直接采集受污染沉积物、干净沉积物（或土壤）以及人工配制沉积物进行加标染毒3种，研究人员基于不同的分析目的采用不同的基质开展毒性测试.

      • 2.1.1.   受污染沉积物

    • 采用受污染沉积物进行生物毒性试验，其结果直接反映了调查区域沉积物污染的生物效应[50]. 裴舟韬等[51]利用大型溞为受试生物，以常州市典型城市黑臭水体为对象，对污染河流治理前后沉积物毒性变化进行了监测，所获得的沉积物毒性变化数据对河道治理手段和效果评价提供了科学依据. Massei等[52]采集了瑞典博特尼亚湾的3个污染地点的沉积物，进行了斑马鱼胚胎的急性毒性测试，暴露在污染沉积物下的胚胎可以观察到特定的脊髓畸形和孵化延迟. 现场采集的沉积物开展生物毒性测试更具现实意义，受污染的沉积物组分复杂多变，毒性效应不止由单一污染物所引起，如果想要获取沉积物的主要致毒污染物信息，则需借助EDA和TIE两种方法对污染物进行筛查. 布吉红等[45，53]在研究辽河支流表层沉积物的毒性现状时，将污染沉积物经预处理后采集间隙水进行了摇蚊幼虫10 d活体毒性测试，又结合沉积物毒性鉴别评价（TIE）方法甄别出辽河不同支流的主要污染因子. 基于受污染沉积物的水生生物毒性测试结果对于评价污染沉积物的生态风险具有重要意义

      • 2.1.2.   干净沉积物加标染毒

    • 通过已知浓度的单一毒物或添加特定性质的沉积物进行生物测试可以确定“毒物剂量-生物效应”间的关系，加标法制备的沉积物基质在研究特定的污染物在沉积物中的归趋和生物学毒性效应时具有明显的优势. 首先需要选取干净的沉积物或土壤（即其中所含受试污染物的本底浓度不会对受试生物产生毒害作用的沉积物），然后按照试验所需掺入受试污染物进行水生生物的毒性测试. 韩雨薇等[54]在研究沉积物中金属Pb和Cd对河蚬的毒性效应中，由于较难获得重金属本底值较低的天然沉积物，便采用洁净的农田土壤加标的方式模拟天然沉积物进行试验. Yang 等[55]研究了水生生物群落对沉积物中Cu的敏感性响应，所用沉积物采集于未受污染地区的湿地土壤，在实验室进行加标染毒. 但值得注意的是，虽然此种方法采用的沉积物相对“清洁”，但仍需要在进行试验时做好对照组试验，有必要时需要对沉积物中其他组分进行掩蔽处理，以保证试验结果的准确性. 此外，在沉积物加标过程中针对不同加标物的理化特征选择不同的加标方式：当加标物为可以溶于水的物质（如水溶性农药、重金属等），可制备一定浓度的储备液，按试验所需加入沉积物中；而当加标物为微溶甚至不溶于水的物质（如部分痕量有机物、油类等），则需特定的介质辅助加标，比如甲醇、乙醇、丙酮等有机溶剂，加标后需要将有机溶剂挥发干净，避免对试验产生干扰. 大量试验结果表明，污染物加标的方法可以得到所需合理范围内的污染物浓度梯度，明确地指示污染物的剂量-效应关系，其结果丰富了不同污染物的毒性数据库，而且准确的毒性结果对于SQG的建立具有重要意义.

      • 2.1.3.   人工配制沉积物

    • 天然的沉积物和土壤是一种复杂的基质，长久暴露在环境中不可避免的含有一些痕量的污染物或其他复杂化学成分，采用各种实验室材料，如沙子、高岭土、磨细泥炭等所配制的人工沉积物避免了天然沉积物或土壤中的污染物[56]，在实际的沉积物生物测试中同样具有广泛的应用. OECD和U S EPA发布过配制人工沉积物进行的毒性试验的相关规范[47，57]，文婷等[58]参照了OECD的方法配制出人工沉积物，考察加入四氧化三铁纳米颗粒后对斑马鱼胚胎发育和氧化应激水平的影响. 相较于天然沉积物，人工沉积物可根据试验所需更加灵活地调节粒度大小、有机物含量等沉积物的性质，然而人工沉积物与各类型污染物的结合特性、氧化还原条件、微生物组合方面与天然沉积物的差异目前仍有待进一步研究.

      • 2.2.   受试生物

    • 不同的生物类群由于其生存环境、生理特征、营养等级、生命周期、污染物耐受性等的差异，对于沉积物中的各类污染物可能具有不同的“剂量-效应”关系，在沉积物生物毒性测试中，受试生物选择的一般原则包括：在环境中在广泛存在且具有重要生态价值、对污染物具有较高敏感性、在实验室中易于培养等[59]. 沉积物毒性的水生生物测试中常用的受试生物包括浮游植物、底栖生物、浮游动物和鱼类.

      • 2.2.1.   浮游植物

    • 浮游植物是原生生物界一类能够进行光合作用的真核生物，是水体中的初级生产者[60]. 由于其生长繁殖快速、对水体污染物敏感等特点，常被用于各类污染物的毒理学试验. 对于常规的以水为介质或是沉积物提取间隙水、上覆水的毒性测试，利用浮游植物进行试验十分便捷有效. 邓惜汝等[61]选择了铜绿微囊藻、普通小球藻和梅尼小环藻进行了慢性毒性测试，通过藻类生长抑制试验测定了林丹和毒死蜱两种农药对藻类的毒性效应，结果表明两种农药对3种藻的生长存在不同程度的抑制效应，且质量浓度越高抑制效应越强. 由于浮游植物生长受水体浊度影响较大，水体浊度升高对浮游植物的生长具有一定的负面影响，且无法统计浮游植物的生长状况，因此在“藻类固定化”的概念被提出前，浮游植物只被用于间隙水、上覆水等水相的毒性试验，藻类固定化扩大了浮游植物在沉积物毒性试验中的应用范围. Moreira等[62]试验证明，三角褐指藻用4.9%海藻酸盐和4%的锶溶液制备的固定化藻球是最稳定、最适合微藻生长. Zhang等[63]改进优化了藻类固定化方法，使用淡水绿藻制备出海藻酸钠-钙藻球，置于沉积物-水体系中进行毒性测试，后加入3%柠檬酸钠溶液溶解藻球计数. 有研究认为，由于藻球内藻类生长较弱，敏感性降低，限制了固定化藻球的应用，从而提出了“底泥固定化”的方法. Pei等[64]利用冻干沉淀物和3%（W/V）海藻酸盐混合制成固定化底泥，在4%（W/V） CaCl2溶液中硬化，试验表明底泥固定后，污染物的扩散能力没有降低. 底泥固定化的思路拓宽了以浮游植物为受试生物的沉积物毒性测试方法的选择.

      • 2.2.2.   浮游动物

    • 浮游动物是一类经常在水中营浮游性生活，且本身不能制造有机物的异养型无脊椎动物和脊索动物幼体的总称，是中上层鱼类和其他经济动物的重要饵料[65]. 卤虫和溞类动物是水体中典型的浮游动物，采用浮游动物进行生物毒性测试具有繁殖周期短、实验室易培养、产仔量多等优势[66]. 研究中多将浮游动物用于沉积物提取液的毒性的检测. 李纯厚等[67]选用浮游桡足类群体和卤虫进行疏浚淤泥溶出液对海洋浮游动物的毒性测试，试验结果表明一定温度条件下溶出液对受试生物有致毒作用. 范文宏等[68]将采集于北京密云水库内湖的沉积物加标染毒后提取出上覆水，在上覆水中加入50只大型溞进行上覆水体系暴露试验，暴露于上覆水体系中的大型溞体内的生物积累量和金属硫蛋白（MT）含量随沉积物Cd含量的升高而升高. 实际上，浮游动物在水相和水土接触界面均可进行生存活动，而且摄食、生长等活动离不开沉积物环境，因此在考察沉积物间隙水、上覆水毒性，以及进行全沉积物的毒性测试，浮游动物均可被应用，且全沉积物体系的毒性测试更好地模拟了现实环境. Li等[13]以大型溞作为受试生物，考察了上覆水与水-沉积物共存两种体系中金属镉（Cd）的毒性状况，以生物积累量、金属硫蛋白含量以及死亡率作为考察指标，分析讨论了水体沉积物中重金属对生物毒性的作用机制.

      • 2.2.3.   底栖动物

    • 底栖动物是指栖息于水域底内或底表的动物，是水生生物中的一个重要生态类群，是鱼类和鸟类等食物链中消费者的食物来源[69]. 水体中的沉积物为众多底栖动物提供生产的场所，底栖动物主要以沉积物中的有机颗粒为食，沉积物环境质量是底栖动物的种类和数量的重要影响因素. OECD出台的沉积物生物毒性测试技术规范中的受试生物均是底栖动物，可见选取底栖生物作为沉积物毒性研究的受试生物对揭示污染物在水生态系统中的迁移转化过程及其对人类健康的影响都具有极其重要的研究意义[70]. 摇蚊幼虫是底栖动物的代表性生物之一，在水体中分布广泛. 邓鑫等[71]研究了加标水体和沉积物中Cd2+对伸展摇蚊幼虫和黄色羽摇蚊幼虫的急性（96 h）和慢性（20 d）毒性，观测指标为死亡率、羽化率、羽化时间和口器畸形率. 毒性测试结果和指标监测表明伸展摇蚊对沉积物中镉污染的敏感性要高于黄色羽摇蚊. Martinez等[72]将摇蚊幼虫分别暴露在3种不同浓度的Cd和Cu加标的沉积物中，考察了摇蚊的生长发育反应以及口器畸形率，证明金属Cd和Cu都会对摇蚊幼虫产生致畸作用. 水丝蚓[70]、虾[73]和一些双壳类动物[74]也是常被应用于毒理学测试中的水生底栖动物. 底栖动物类群多用于全沉积体系的毒性测试，可直接暴露于沉积物环境与污染物直接接触，这也是底栖动物较其他生物类群在沉积物毒测试应用中的优点.

      • 2.2.4.   鱼类

    • 鱼类是水生食物链中最高等级的生物，对有毒有害物质十分敏感，同时，由于其作为重要的水产品，与人类健康的关系十分密切，可对其进行充分的解剖观察、开展不同组织器官的污染物累积化学分析等[75]，因此在各类环境毒理学试验中都被频繁选用. 在通常认知中，鱼类只生活于水中，所以试验相多为上覆水或间隙水，选择全沉积物相做毒性测试的较少. 然而，Camargo等[76]的研究认为，由于鱼类产卵是在沉积物表面进行的，鱼类数量的下降或许与沉积物毒性有关. 另外水动力学条件改变引起沉积物上浮，这些沉积物有极大可能性会被鱼类摄入. 鱼类作为受试生物在沉积物毒性研究中具有极强重要性. 俞云鹏[77]采集了湛江近海样点滨湖公园附近海域沉积物，使用超声波提取技术和硅胶柱净化法相结合来制备沉积物多氯联苯（PCBs）的提取物，将斑马鱼暴露在不同染毒浓度和不同时间的PCBs提取物中，试验证明沉积物提取物中的PCBs能引起斑马鱼肠道的病变并造成肠道微生物菌群的组成和丰度的改变. 文婷等[58]就沉积物中四氧化三铁纳米颗粒（Fe3O4 NPs）的安全阈值开展研究，将2 hpf（受精后时间，小时）的斑马鱼胚胎暴露在含有不同浓度Fe3O4 NPs的沉积物中，96 hpf后考察对斑马鱼胚胎发育和氧化应激水平的影响. 泥鳅以底泥中的腐屑为食，是水环境中典型的底栖鱼类，已经被广泛用来作为监测水体沉积物污染程度的敏感指示生物，赵艳民等[78]以泥鳅死亡率、血液红细胞数量、红细胞体积、红细胞微核率和核异常率作为测试指标，考察了镉加标沉积物对其的毒性状况. 斑马鱼作为模式生物在各类环境污染物的毒性研究中已相当成熟，但是基于沉积物毒性的研究却是缺乏的，泥鳅与水体中其他常见的鱼类相比具有不一样的生活习性，十分适合作为全沉积物体系毒性测试的模式生物，可以进行更加深入的研究. 另外可考虑选取其他国内本土的鱼种进行深入的研究，扩大鱼类作为沉积物毒性测试的模式生物种类数量.

      • 2.3.   测试终点

    • 水生生物测试沉积物毒性的终点可分为急性毒性测试和慢性毒性测试，二者在受试生物的暴露时间、效应终点和效应指标方面存在区别，因此选择合理的试验终点也是进行毒性测试的关键. 与水体毒性测试类似，沉积物毒性测试中试验终点和效应终点也与受试生物的选择有关，表1中归纳了不同研究者进行沉积物毒性实验的常用受试物种以及测试时间及效应终点等内容. 浮游植物和浮游动物类群生物的生命周期一般较短，选其进行急性毒性测试的较多，而多数底栖动物和鱼类生物的生命周期相对较长且体型较大，更加利于考察生长代谢、基因表达和繁殖水平等慢性毒性的效应终点，因此在慢性毒性测试中更倾向于选择这两类生物.

      急性毒性测试较慢性毒性测试在受试生物的暴露时间上有明显的缩短，一般为24 h、48 h、72 h、96 h等，对于生命周期较长的受试生物，急性毒性的暴露时间可能也会有相应的延长. 效应终点一般为存活（死亡率、存活率）和生长（体重、体长、生长率、生物量等）两种，常用的效应指标有LC50、EC50等. 钟文珏等[79]研究了沉积物中芘对花翅羽摇蚊幼虫和淡水单孔蚓两种淡水底栖动物的急慢性毒性效应，其中对花翅羽摇蚊幼虫进行96 h急性毒性测试，LC50为189 mg·kg−1干重，淡水单孔蚓对芘的耐受力较强，急性毒性测试测得了芘对淡水单孔蚓体表损伤（包括尾部发白、尾部凹陷及自断）14 d-EC50为222 mg·kg−1干重. 考察沉积物中污染物对受试生物的致死率是最基础但极具意义的工作，设置不同毒性浓度梯度对沉积物加标染毒进行急性毒性测试可以快速获得某一类污染物在沉积物中的毒性数据，这是急性毒性测试的主要优势.

      然而，有研究指出，衡量生存影响的短期暴露通常只能用于识别高浓度或高毒性的污染沉积物[80]. 对于沉积物中毒性较低的污染物或者含量较低的污染物，只有通过慢性毒性测试才能反映出污染物对水生生物的影响. 慢性毒性测试的暴露时间通常大于一周，甚至可长达1—2个月. 慢性毒性测试效应终点除存活和生长两类外，还包括繁殖（孵化率、孵化时间、性别比等），常用的效应指标有MATC、EC10、EC20、NOEC、LOEC等. 韩雨薇等[81]以泥鳅死亡率、鳃部渗血率和体质量变化为测试的效应终点，研究了沉积物中Pb、Cd对泥鳅的慢性毒性影响. 另外，随着研究的深入，慢性试验终点所考察的指标上升到基因表达、酶活性等分子水平，Boulanger等[82]在研究加拿大境内圣路易斯湖沉积物污染时，将受精后的斑马鱼胚胎分别暴露于受污染和不受污染的沉积物中，与多环芳烃、多氯联苯、二噁英和呋喃几种污染物反应有关的基因在暴露于污染沉积物中有着更高水平的表达，也表明该地点沉积物可能对生命早期阶段的鱼类产生有害影响. 慢性毒性测试的优势主要在于能够帮助说明沉积物中污染物对受试生物的致死原因，生理生化、生长代谢、基因表达等指标的考察解释了污染物对受试生物的影响机理，将沉积物毒理学的发展推向了更高的水平.

    3.   总结与展望（Summary and outlook）

    • 面对沉积物环境的复杂多变、各类新型污染物的出现以及我国关于淡水沉积物环境质量标准的缺乏，水生生物测试在沉积物质量评价中发挥了重要作用，并且应有更加深入的发展. 以下将从3个方面对水生生物毒性测试的应用与发展进行讨论与展望.

      （1） 文章所讨论的水生生物测试是一种体内生物测试，而体外生物测试则是指在体外培养从通常的生物学环境中分离出的生物体组分进行的实验，包括细胞毒性、遗传毒性以及重组受体报告基因细胞实验. 体内生物测试优点在于可以选择不同营养级的代表性水生生物进行毒性试验，全面反映沉积物中污染物质对生物的胁迫效应情况. 一方面受试生物的培养对实验室要求严格、对实验人员的专业要求较高以及实验方法未全面进行标准化，另一方面越来越重视受试生物的伦理学问题，限制了水生生物毒性测试在沉积物质量评价中的发展. 因此，在对沉积物进行水生生物的毒性测试时，应选取适当的受试生物，最好将体外生物测试与体内生物测试相结合，试验结果相互补充，以对沉积物毒性进行客观、全面地评价，为沉积物环境中污染物的精准管控提供重要依据.

      （2） 我国目前对于各类水生生物的毒性数据较为缺乏. 物种敏感性分析（SSD）将污染物现状与水环境中的生物毒性效应结合，在沉积物生态风险评价中有着广泛应用，也是推导沉积物质量基准的常用方法. SSD的应用需要获取一定量的水生生物毒性数据，在国内学者的研究中，绝大多数污染物对水生生物的毒性数据来自于U S EPA的ECOTOX数据库或国际农药行动联盟建立的PAN农药数据库，而国内水生生物对污染物的毒性数据较为缺乏. 因此，在未来发展中应建立充实不同类型污染物、不同营养等级水生生物的毒性数据库，立足中国沉积物环境污染问题，注重本土受试物种的标准化，保证毒性数据准确性，有助于建立我国的沉积物质量基准.

      （3） 随着对水体沉积物的不断深入研究发现，例如微塑料、纳米材料等越来越多的非传统污染物出现在沉积物中，污染物间的相互作用让沉积物环境的污染物毒性效应更加复杂化. 利用水生生物测试沉积物中新型污染物的毒性效应正处于起步阶段，在未来应用中应重视污染物间的拮抗、协同作用，发展新型污染物的毒性效应的测试方法，了解更多种类污染物对水生生物的毒性机理，推动沉积物污染治理领域的深入发展.

    参考文献 (100)

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